劉宏洋，張萌，何清林

（黑龍江科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150022）

0 引言

LLC諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，且可在原邊實(shí)現(xiàn)ZVS以及副邊實(shí)現(xiàn)ZCS，所以其應(yīng)用已進(jìn)行了長足的發(fā)展，相較于過去的幾十年，應(yīng)用領(lǐng)域已越來越廣泛，以至于對(duì)LLC諧振變換器的性能、效率、功率密度、EMC、EMI等提出了更高要求。對(duì)于單相LLC諧振變換器來說，在輸出端只設(shè)置電容作為濾波元件，并無電感，變壓器二次繞組注入的整流正弦波電流在輸出濾波電容上產(chǎn)生了較大的電壓紋波，諧振頻率又是開關(guān)頻率的二倍，這就導(dǎo)致了濾波電容量需要很大，就會(huì)不利于功率的等級(jí)提升。而三相交錯(cuò)LLC諧振變換器除LLC變換器的眾多優(yōu)點(diǎn)之外，還由于三橋臂互差120°，此拓?fù)湟子诰?，利用相位差，使電流相互交疊，消除一部分紋波，導(dǎo)通電流有所降低。

LLC諧振變換器工作在不同環(huán)境中時(shí)，隨著負(fù)載工況的改變及輸入側(cè)電壓的差異，原邊會(huì)失去軟開關(guān)特性，變?yōu)槿菪蚤_關(guān)，使工作的可靠性降低，尤其是在輕載工況時(shí)，開關(guān)頻率高就會(huì)使開關(guān)損耗急劇上升，致使輸出側(cè)電壓不受控制，變換器效率降低，而在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中一般會(huì)選擇增加假負(fù)載，但無形中增加了一部分額外的損耗，因此解決以上問題和輕載時(shí)增益失真問題就十分重要。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 三相交錯(cuò)LLC諧振變換器結(jié)構(gòu)

三相LLC諧振變換器采用星型聯(lián)結(jié)，可實(shí)現(xiàn)各相均衡電流，每一相都有開關(guān)、諧振腔、變壓器、整流濾波單元以及負(fù)載構(gòu)成。開關(guān)網(wǎng)絡(luò)是由三相半橋逆變的六個(gè)功率開關(guān)管組成，每一個(gè)功率開關(guān)管都會(huì)并聯(lián)一個(gè)體二極管，正是由于體二極管的存在才實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)；諧振網(wǎng)絡(luò)包括諧振電感Lr、諧振電容Cr和勵(lì)磁電感Lm；變壓器和整流網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行能量的傳輸；濾波網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸出端產(chǎn)生的電流紋波進(jìn)行吸收，以延長變換器的運(yùn)行壽命；而負(fù)載就代表著變換器的運(yùn)行工況，負(fù)載的不同就需要不同的控制策略，以避免在輕載狀態(tài)時(shí)電壓失控現(xiàn)象的發(fā)生，所以使變換器在不同工況下都能穩(wěn)定運(yùn)行是非常重要的。

1.2 空載優(yōu)化問題的研究

圖1 電路原理圖

LLC諧振變換器中存在寄生元器件，在重載運(yùn)行時(shí)，這些寄生元器件對(duì)電路有極小的影響，甚至沒有影響，但是隨著所加負(fù)載的逐漸減輕，寄生元器件的影響就開始顯現(xiàn)，甚至可以影響電路的正常運(yùn)行。在三相LLC諧振變換器中變壓器的匝間電容和副邊整流二極管結(jié)電容就是主要的影響因素，將其統(tǒng)稱為寄生電容，其表達(dá)公式為：

圖2 FHA下的電路等效模型

在整流網(wǎng)絡(luò)中器件都為純阻性，因此電壓與電流不存在相位差，則整流網(wǎng)絡(luò)輸出端的電流（IO）與輸入側(cè)電流的有效值（Ir）之間的關(guān)系為：

中心抽頭式變壓器原邊副邊匝數(shù)比為n:1:1，將輸出側(cè)阻抗換算到原邊，對(duì)輸出側(cè)阻抗進(jìn)行歸一化處理，得：

得輕載工況下傳遞函數(shù)：

則輕載工況下增益為：

由圖3可見，隨著負(fù)載工況的減輕，寄生電容的影響會(huì)變得愈來愈明顯，在諧振網(wǎng)絡(luò)中會(huì)多出一個(gè)高頻率的諧振點(diǎn)，而考慮到寄生電容因素影響曲線示意圖才會(huì)與現(xiàn)實(shí)工況相接近。在實(shí)際工況中，隨著負(fù)載的逐漸降低，輸出側(cè)電壓就會(huì)不斷升高，工作頻率就會(huì)隨之增大，由于寄生電容的存在，達(dá)到某一工作頻率范圍時(shí)，增益曲線就會(huì)重新多出一個(gè)拐點(diǎn)頻率，導(dǎo)致輸出端電壓不穩(wěn)定，增益就會(huì)失真。為優(yōu)化寄生電容在輕載工況中的影響，就需要合理的設(shè)計(jì)Q值和k值。

圖3 考慮寄生電容影響下的直流增益曲線圖

當(dāng)阻抗角極小時(shí)，諧振網(wǎng)絡(luò)會(huì)工作在感性區(qū)域與容性區(qū)域之間的臨界區(qū)域，此時(shí)的變換器會(huì)存在一定的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，所以Q值要相對(duì)小于Qmax，使變換器穩(wěn)定工作，以實(shí)現(xiàn)原邊的ZVS。隨著Q值得減小，增益電流就會(huì)愈來愈大，負(fù)載變小得情況下所受寄生電容干擾就會(huì)愈來愈強(qiáng)，增益曲線的性能就會(huì)變差。

如圖1-4所示，當(dāng)k值不同時(shí)，相應(yīng)的直流增益曲線也不盡相同，工作頻率也不盡一樣。當(dāng)k值愈來愈大時(shí)，直流增益卻愈來愈小，所得到的工作頻率的范圍就愈來愈大，那也就是說所有的變量中只有k值發(fā)生變化時(shí)，相同負(fù)載工況下，Lr和Cr是一定的，k值變大，那么隨之變大的就是Lm，那么勵(lì)磁電流就會(huì)降低，以至于開關(guān)損耗也會(huì)隨之變小。

圖4 不同k值下直流增益曲線圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

輸入側(cè)電壓給定為400V，Q值給定為0.323，k值給定為 6，Lm、Lr、Cr的給定分別為：10.224uH、1.276uH、483.76nF，工作頻率范圍設(shè)定為100kHz～200kHz，通過調(diào)節(jié)變換器的帶載能力，分別測得重載工況與輕載工況下的輸出側(cè)電壓波形、驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)波形以及變換器一次側(cè)電壓輸出波形，波形如圖5、圖6所示，可以清晰的看出，在輕載工況下，其驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)波形和變換器一次側(cè)電壓輸出波形仍存在失真，這正是因?yàn)橛屑纳娙莸拇嬖?，才?dǎo)致該現(xiàn)象的產(chǎn)生，所以要繼續(xù)優(yōu)化Q值、k值，以削弱寄生電容的影響。

圖6 輕載工況下波形圖

3 結(jié)論

在此處分析了變壓器匝間電容與整流管結(jié)電容對(duì)三相LLC諧振變換器輕載工況時(shí)的影響，在輕載工況下如果不考慮寄生電容，所生成的直流增益曲線與實(shí)際情況有很大的出入，導(dǎo)致變換器不能在全工況下穩(wěn)定運(yùn)行，甚至?xí)p壞變換器。通過分析優(yōu)化變換器輕載啟動(dòng)的因素，以確定出最優(yōu)的Q值與k值，將損耗與危害降到最低，最后通過實(shí)驗(yàn)來證明理論與策略的正確性與可靠性。